一体柔性细菌纤维素超级电容器的制备及性能研究

发布时间：2020-07-05 08:41

【摘要】：环境污染与能源紧缺问题一直是近年来的热点话题。开发绿色环保的新型能源和储能装置也已成为研究热点。超级电容器相较于锂电池,具更高的功率和循环寿命,作为绿色环保的新型储能装置备受欢迎。传统超级电容器的结构类似于电池,由电极材料、隔膜、电解液、集流体等主要部分组成,需要的材料往往众多且组装工艺繁杂。其中,细菌纤维素(BC)是天然高聚物,因特有的纳米三维网络结构,超强的亲水吸水能力和优异的力学性能不仅适合作为水凝胶、柔性基材、碳源,还能应用于隔膜材料,近期的文献也对其进行了大量报道,是新型环保超级电容器制备的理想原材料。本课题主要基于细菌纤维素的特殊结构、优异性能制备了导电聚合物包覆的细菌纤维素复合材料,并将该复合材料作为含氮碳源,通过热解得到掺N活性炭。最后滴加凝胶电解液,组装二者,得到了一种一体柔性的薄膜超级电容器。此外,还探究了不同导电聚合物//活性炭体系下制备的一体柔性不对称超级电容器,并进行了表征及电化学性能的测试与分析。文章主要分为三个部分:(1)应用细菌纤维素的3D网络结构,在水凝胶状态下,纳米纤维膜表面原位沉积聚苯胺(PANI)。由于分子动力学影响,在水凝胶状态下较厚致密的纤维膜内部,苯胺分子难以进入,随聚合时间增加,形成特殊的三明治结构,可通过剥离得到一面沉积有聚苯胺包覆的纤维PANI/BC//BC,另一面未包覆的纯纤维素BC。将剥离得到的薄膜PANI/BC//BC直接作为超级电容器的正极和隔膜材料,同时以PANI/BC为含氮碳源进行高温碳化和碱活化得到高比表面积、吡咯型氮占主导的负极碳材料KPBC。再配以凝胶电解液,经组装得到PANI/BC//KPBC薄膜柔性超级电容器,对其电容性能进行测试分析。该固态电容器在测试过程中表现出较好的循环稳定性(2500次循环后仍保持100%的电容量)和库伦效率。(2)以另一种P型掺杂导电聚合物聚吡咯(PPy)为正极材料进行研究,利用FeCl_3做为氧化剂在细菌纤维素表面原位聚合得到三明治型两面沉积有聚吡咯包覆的PPy/BC,中间层为纯纤维素的BC。同样将PPy/BC作为另一种含氮碳源经高温碳化和碱活化,得到官能团主要为吡啶型氮的负极碳材料KYBC。经组装得到PPy/BC//KYBC全固态柔性超级电容器,并对其性能进行分析研究。该固态电容器同样表现出较高的工作电位(最高达到1.4 V)和面积比电容(195.5 mF/cm~2)。(3)为进一步提高导电聚合物//活性炭体系下不对称电容器的电容量,对负极材料进行了掺杂Fe元素。通过水热合成法,在细菌纤维素BC表面形成氢氧化铁前驱体,再将吡咯单体原位聚合到膜表面得到PPy/Fe_3O_4/BC。并通过高温碳化和碱活化的方法得到新的负极碳材料Fe-N-BC。这种掺杂金属元素Fe、非金属元素N的双掺杂碳材料表现出较明显的赝电容兼具双电层电容性能,在电容量得到了有效提升的同时表现出低的工作电位(最低-1V)。并通过对正负电位和电量的匹配,将PPy/BC//BC作为正极和隔膜,经组装得到PPy/BC//Fe-N-BC全固态柔性超级电容器。经测试,该电容器表现出更高的面积比电容(426.2 mF/cm~2)和更高的工作电位(最高达到1.6 V)。本文,以生物环境友好型材料细菌纤维素BC为基材,利用导电聚合物/细菌纤维素复合膜与薄膜电容器结构和性能的相似性,经聚合剥离碳化抽滤等简易工序制备得到的全固态柔性超级电容器为传统超级电容器的制备提供了新思路,在环境保护和能源存储方面具有一定的意义。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O636.11;TM53
【图文】：

过程图,体内合成,细菌细胞,过程

n，化学结构为 β-1, 4-糖苷键结合 D-吡喃葡萄糖环形成素不同的是细菌纤维素则是由微生物在一定的糖源、氮谢产生的一种高纯度、高结晶度的纤维素。它最早是养醋杆菌时经观察和分析发现在静置培养基的气液界定的[7]。目前能够合成细菌纤维素的主要菌种有、醋酸菌属(Acetobaeter)、固氮菌属(Azotobactep)等[8]，别的细菌纤维素。而其中醋酸菌属下的木醋杆菌，由于泛研究。目前主要被应用于生物支架、医药、食品、料等多种领域，具有极高的商业价值。的特性，是细菌分泌、合成同时进行下的代谢产物，在细胞体 1-1 所示。细菌经体内合成纤维素后，在细胞壁上的孔小纤维（直径约为 1nm-2nm），再经强烈的氢键作用形又经交织缠绕形成多孔网状纤维带（40 nm-100 nm），扁平纤维。最后这些网状纤维带在培养基表面经交织，

密度图,储能元件,密度图,对能

图 1-2 主要储能元件功率密度对能量密度图谱-2 The power and energy density chart of energy storage e极快的充放电速率、超长的循环寿命在电容器高比表面积的碳粉末，如多孔碳、石墨烯、碳主要为电荷在电极表面的吸附/脱附的物理反无限的循环寿命，但实际上却仍存在其他不可寿命在 105-1010之间。尽管如此，这一数值较和达到的。理论的是德国的 Helmholtz，根据固体电极在理论：在静电力作用下，在电极和溶液界面处，而电极上剩余的电荷则为另一等量相反的电处电势为 φ0+φ1，而另一电极处为 φ0-φ1，界面不被中和，通过两极电势差稳定地存储电量[

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